林分郁閉度和齡級(jí)對(duì)防護(hù)林碳匯功能及固碳價(jià)值的影響1)

劉茂秀 史軍輝 王新英 彭秋梅

(新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊，830046)

林分郁閉度和齡級(jí)對(duì)防護(hù)林碳匯功能及固碳價(jià)值的影響1)

劉茂秀 史軍輝 王新英 彭秋梅

(新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊，830046)

通過(guò)生物量換算因子法，以新疆伽師縣“三北”防護(hù)林為研究對(duì)象，根據(jù)2008年底森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，研究了林分郁閉度和齡級(jí)對(duì)防護(hù)林碳匯功能及固碳價(jià)值的影響。結(jié)果表明:碳密度和生物量隨齡級(jí)的增加呈上升趨勢(shì);生物量和碳密度也隨郁閉度的增加呈波浪形上升趨勢(shì)。幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林的年碳吸收率分別為3.0、2.8、3.6、3.2、3.2t/(hm2·a)，其中近熟林的年碳吸收率最大。在碳儲(chǔ)量中，郁閉度為0.5 的林分的碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的43.8％，近熟林和成熟林占82.3％。

防護(hù)林;林分郁閉度;齡級(jí);碳匯功能;固碳價(jià)值

大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致全球氣候變暖，已經(jīng)引起各界的廣泛關(guān)注，對(duì)碳匯及氣候變化的研究已成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)[1-3]。森林是陸地最大的貯碳庫(kù)，全球陸地總碳庫(kù)為1800 Pg，其中森林的碳儲(chǔ)量約占陸地生物圈地上碳儲(chǔ)量的80％和地下碳儲(chǔ)量的40％[4]，同時(shí)，森林還是巨大的吸碳器。我國(guó)森林(喬木林與灌木林)年均吸收的二氧化碳占生物固碳總量的80％[5]，在維護(hù)全球氣候系統(tǒng)、調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣溫室氣體體積分?jǐn)?shù)上升等方面具有不可替代的作用[6]。20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用我國(guó)森林資源調(diào)查資料，結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力的研究，推算出我國(guó)近50 a來(lái)森林植被的碳庫(kù)及其動(dòng)態(tài)，對(duì)北半球中高緯度地區(qū)碳庫(kù)和我國(guó)森林碳匯功能進(jìn)行了評(píng)價(jià)[1，2，7-9]。近十幾年來(lái)，隨著林業(yè)生態(tài)工程的實(shí)施，我國(guó)人工林面積占森林總面積的比例快速增加，人工林在CO2的吸收和固定及減緩全球氣候變暖等方面的作用也越來(lái)越受到重視[10-12]。目前，人工林碳貯量與碳平衡的研究已成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[6，13-16]，但對(duì)林業(yè)部重點(diǎn)工程區(qū)森林碳密度和碳貯量方面的研究卻較少[17]。

伽師縣是新疆“三北”防護(hù)林工程建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域之一，目前共有以楊樹(shù)為主的防護(hù)林面積3.23萬(wàn)hm2。文中以新疆伽師縣“三北”防護(hù)林為研究對(duì)象，研究林分郁閉度和齡級(jí)對(duì)“三北”防護(hù)林碳匯功能及固碳價(jià)值的影響，旨在為評(píng)價(jià)新疆“三北”防護(hù)林建設(shè)工程森林碳匯效益和制定合理的林業(yè)資源管理模式提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

研究區(qū)概況:伽師縣位于東經(jīng) 76°20～78°06′，北緯 39°16′～40°00′之間，屬典型的暖溫帶大陸性荒漠氣候。主要特點(diǎn)是:四季分明，降雨稀少，無(wú)霜期長(zhǎng)，光熱豐富，晝夜溫差大，氣候干燥。全年太陽(yáng)輻射總能量達(dá)600.6 kJ/cm2，日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均日照時(shí)數(shù)為2 923.3h，平均氣溫11.7℃，年平均降水量54mm，年平均蒸發(fā)量為2 251.1mm，年平均無(wú)霜期為233d，最短 199d，最長(zhǎng)268d。年平均風(fēng)速 1.4m/s，年平均沙塵暴日數(shù)6.2d。“三北”防護(hù)林主要造林樹(shù)種以楊樹(shù)為主，林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均郁閉度0.38，平均樹(shù)高9.59m，平均胸徑11.72cm。

數(shù)據(jù)來(lái)源:以伽師縣2008年底“三北”防護(hù)林森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是在2003年新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院完成的資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，2009年為了開(kāi)展“十二五”采伐限額工作，按照設(shè)計(jì)院確定的森林蓄積量調(diào)查方案，選擇4 495個(gè)不同年齡的代表性樣地，對(duì)2004—2008年各類(lèi)森林資源按不同齡級(jí)、面積和蓄積進(jìn)行調(diào)查獲得。

生物量碳儲(chǔ)量的計(jì)算方法:采用森林蓄積量擴(kuò)展法(或生物量換算因子法)[18]——以森林蓄積量為計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)蓄積擴(kuò)大系數(shù)計(jì)算樹(shù)木(包括枝、樹(shù)根)生物量，然后通過(guò)容積密度(干質(zhì)量系數(shù))計(jì)算生物量干質(zhì)量，再通過(guò)含碳率計(jì)算其固碳量，即林木生物量固碳量[19]。由于對(duì)人工造林區(qū)進(jìn)行了松土、除草等管理措施，因此，本文所指的森林碳儲(chǔ)量?jī)H為喬木層碳儲(chǔ)量，沒(méi)有包括草本層、凋落物層以及土壤層碳儲(chǔ)量。由于新疆自然環(huán)境比較嚴(yán)酷，人工造林樹(shù)種比較單一，伽師縣“三北”防護(hù)林人工造林以楊樹(shù)為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，因此，根據(jù)生物量換算因子法，參照劉盛等[20]楊樹(shù)林分蓄積量換算模型來(lái)計(jì)算林分生物量。

楊樹(shù)氣干生物量模型:Bui=0.475Mi+30.603 4。式中:Bui為氣干生物量(t/hm2);Mi為第i小班(齡級(jí))的每公頃蓄積量(m3/hm2)。

林分全干生物量計(jì)算模型:Boi=Bui-0.04Mi，式中:Boi為全干生物量;Bui為氣干生物量;Mi為第i小班(齡級(jí))的每公頃蓄積量。

林分碳密度模式:Ci=aBoi，式中:Ci為第i小班(齡級(jí))的碳密度;a為某樹(shù)種生物量含碳率。本文a取0.495 6[21]。

固碳經(jīng)濟(jì)價(jià)值的計(jì)算:森林碳匯經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)主要是指碳匯價(jià)格，其單位是元/t(碳)。目前較常用的計(jì)算固定CO2價(jià)值的方法有兩種:一種是造林成本法，它是根據(jù)所造林分吸收大氣中的CO2與造林費(fèi)用之間的關(guān)系來(lái)推算森林固定CO2的價(jià)值;另一種是碳稅率法，環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)家們通常使用瑞典的碳稅率[22]。本文采用國(guó)家林業(yè)局2004年4月28日發(fā)布的《森林生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范(LY/T1721—2008)》中“固碳價(jià)格”1 200元/t(忽略人民幣升值引起的固碳價(jià)格變化)，計(jì)算不同森林類(lèi)型的碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量隨郁閉度和齡級(jí)的動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)計(jì)算得出，當(dāng)林分郁閉度為0.1～0.7時(shí)，平均生物量分別為78.3、124.9、220.9、133.4、230.8、179.4、307.7t/hm2，變異系數(shù)為59.5％～98.6％;而當(dāng)郁閉度為0.8和0.9時(shí)，只有1或2個(gè)齡級(jí)有生物量，不具有代表性，失去比較的意義。隨著郁閉度的增加，林分生物量的變化呈波浪形上升趨勢(shì)。經(jīng)方差分析表明，郁閉度對(duì)生物量的影響均達(dá)到顯著水平(p＜0.05)。

伽師縣“三北”防護(hù)林各齡級(jí)生物量(表1)表現(xiàn)為:幼齡林變幅為1.6～395.8t/hm2，平均值為70.6t/hm2;中齡林62.9～417.0t/hm2，平均值為129.2t/hm2;近熟林 119.2～617.8t/hm2，平均值為260.6t/hm2;成熟林 120.3～432.8t/hm2，平均值為301.4t/hm2;過(guò)熟林129.0～573.2t/hm2，平均值為378.7t/hm2。隨齡級(jí)的增加，生物量呈上升趨勢(shì)，其中中齡林生物量比幼齡林增加82.7％，近熟林比中齡林增加102.2％，成熟林比近熟林增加15.7％。從生物量相對(duì)增加量比較，從中齡林到近熟林階段生物量增加最快。經(jīng)方差分析表明，齡級(jí)對(duì)碳密度的影響均達(dá)到極顯著水平(p＜0.001)。

2.2 郁閉度和齡級(jí)對(duì)碳密度的影響

不同郁閉度下碳密度表現(xiàn)出一定的差異(表1)。郁閉度為0.1～0.7 時(shí)，平均碳密度分別為32.0、42.1、62.8、43.9、64.9、53.8、81.5t/hm2，變異系數(shù)為37.6％～74.8％;而當(dāng)郁閉度為0.8和0.9時(shí)，只有1或2個(gè)齡級(jí)有碳密度，不具有代表性，失去比較的意義。因此，隨郁閉度的增加，碳密度的變化呈波浪形上升趨勢(shì)。經(jīng)方差分析表明，郁閉度對(duì)碳密度的影響均達(dá)到顯著水平(p＜0.05)。

不同齡級(jí)的碳密度(表1)均表現(xiàn)為:幼齡林變幅為15.5～100.5t/hm2，平均值為30.4t/hm2;中齡林 28.7～105t/hm2，平均為43.0t/hm2;近熟林40.9～123.0t/hm2，平均為71.3t/hm2;成熟林41.1～108.5t/hm2，平均值為80.1t/hm2;過(guò)齡林43.0～138.7t/hm2，平均值為96.8t/hm2。隨齡級(jí)的增加，碳密度呈上升趨勢(shì)。經(jīng)方差分析表明，齡級(jí)對(duì)碳密度的影響均達(dá)到極顯著水平(p＜0.05)。以楊樹(shù)各齡級(jí)按最大值來(lái)計(jì)算，幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林的年碳吸收率分別為3.0、2.8、3.6、3.2、3.2t/(hm2·a)，表現(xiàn)出先降后升最后不再變化的趨勢(shì)，其中近熟林的碳吸收率最大，說(shuō)明齡級(jí)對(duì)碳吸收率和碳密度的影響有一定的差異。伽師縣“三北”防護(hù)林平均年碳吸收率明顯高于南亞熱帶森林[11]。

表1 林分生物量與碳密度隨郁閉度和齡級(jí)的變化 t·hm-2

2.3 不同郁閉度和齡級(jí)下碳儲(chǔ)量的分布

總體上分析，伽師縣“三北”防護(hù)林總的碳儲(chǔ)量為17.7萬(wàn)t。各齡級(jí)占整個(gè)碳儲(chǔ)量的比例分別為7.3％(幼齡林)、8.9％(中齡林)、39.2％(近熟林)、43.1％(成熟林)、1.4％(過(guò)熟林)，其中近熟林和成熟林占整個(gè)碳儲(chǔ)量的82.3％。因此，伽師縣“三北”防護(hù)林工程的碳儲(chǔ)量主要取決于近熟林和成熟林。不同郁閉度下碳儲(chǔ)量也表現(xiàn)出差異性，郁閉度為0.1～0.7時(shí)，碳儲(chǔ)量分別為739.9、4 857.9、4 812.6、5 983.4、15 520.0、5 530.2、206.2t，其中郁閉度為0.5的林分的碳儲(chǔ)量占整個(gè)碳儲(chǔ)量的43.8％。

2.4 伽師縣“三北”防護(hù)林工程固碳價(jià)值

伽師縣“三北”防護(hù)林工程的碳匯經(jīng)濟(jì)總價(jià)值為2.13億元(表2)。按齡級(jí)來(lái)計(jì)算，成熟林的碳匯經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大，占整個(gè)碳匯價(jià)值的43.1％，其次是近熟林，占39.3％，而成熟林和近熟林的碳匯價(jià)值占整個(gè)伽師“三北”防護(hù)林工程碳匯價(jià)值的82.4％，體現(xiàn)了在伽師縣的森林生態(tài)系統(tǒng)中，碳匯能力主要體現(xiàn)在防護(hù)林的成熟林和近熟林上;按郁閉度來(lái)計(jì)算，郁閉度為0.5時(shí)防護(hù)林的固碳經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大，占整個(gè)固碳價(jià)值的43.8％。表明在伽師縣的森林生態(tài)系統(tǒng)中，碳匯能力主要體現(xiàn)在郁閉度為0.5、齡級(jí)為成熟林和近熟林的防護(hù)林上。

表2 不同郁閉度和齡級(jí)的防護(hù)林碳儲(chǔ)量和固碳價(jià)值

3 結(jié)論與討論

伽師縣“三北”防護(hù)林幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林平均生物量分別為70.7、129.2、260.6、301.4、378.7t/hm2，齡級(jí)組內(nèi)生物量變化較大，變異系數(shù)為33.3％～187.6％，說(shuō)明立地類(lèi)型對(duì)生物量影響較大。對(duì)相鄰齡級(jí)生物量進(jìn)行比較分析可知，中齡林到近熟林增幅達(dá)102.2％，成熟林到過(guò)熟林增幅僅為0.4％，表明達(dá)到一定齡級(jí)后，其相對(duì)生物量增加緩慢，因此，可通過(guò)采伐更新成熟林、過(guò)熟林來(lái)提高林地固碳效率。

伽師縣“三北”人工楊樹(shù)防護(hù)林相同年齡的碳密度都比榿-柏人工混交林的碳密度高[12]。主要原因是楊樹(shù)是速生用材樹(shù)種，生長(zhǎng)速度較快，10年生平均高度可達(dá)6m，而榿-柏林主要以柏木為主，柏木生長(zhǎng)緩慢，10年生的平均高度僅為3m左右[12]。伽師縣防護(hù)林平均碳密度為64.3t/hm2，均高于北亞熱帶森林(40.8t/hm2)[17]和南亞熱帶闊葉林((21.2±0.92)t/hm2)[11]，但低于海南熱帶森林(234.31t/hm2)[23]。因此，新疆伽師縣“三北”防護(hù)林具有較高的儲(chǔ)碳能力，其原因是人工防護(hù)林主要分布在綠洲內(nèi)部和農(nóng)田周?chē)謼l件相對(duì)較好，管理措施優(yōu)于天然林。

伽師縣“三北”防護(hù)林生物量和碳密度隨郁閉度的增加呈波浪形上升趨勢(shì)，表明具有合理郁閉度的林分可以較好地利用光、水等環(huán)境因子，使生物量和碳密度達(dá)到最佳。

方差分析結(jié)果表明，郁閉度對(duì)生物量和碳密度的影響均達(dá)到顯著水平(p＜0.05)，而齡級(jí)對(duì)林分生物量和碳密度的影響達(dá)極顯著水平(p＜0.05)，說(shuō)明對(duì)生物量和碳密度影響最大的是齡級(jí)，其次是郁閉度。同時(shí)，隨齡級(jí)的增加，年碳吸收率表現(xiàn)出先降后升最后不再變化的趨勢(shì)，表明年碳吸收率在達(dá)到一定齡級(jí)后增加緩慢。因此，應(yīng)制定合理的采伐制度，改善齡組結(jié)構(gòu)比例，加強(qiáng)幼、中齡林的培育和改造，提高林分質(zhì)量，維持林齡或齡級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，從而保持穩(wěn)定的蓄積量，以確保較大的碳密度。

以伽師縣2008年底“三北”防護(hù)林森林資源數(shù)據(jù)為依據(jù)，估算總碳儲(chǔ)量為17.7萬(wàn)t，碳匯經(jīng)濟(jì)總價(jià)值為2.13億元。隨著新疆林果業(yè)迅猛發(fā)展，近10 a伽師縣經(jīng)濟(jì)林面積已發(fā)展到8 749 hm2。由于在森林資源調(diào)查中，經(jīng)濟(jì)林沒(méi)有計(jì)入蓄積量，因此，本文計(jì)算的伽師縣“三北”防護(hù)林總碳儲(chǔ)量和固碳價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該縣實(shí)際人工林的總碳儲(chǔ)量和固碳價(jià)值。同時(shí)，根據(jù)伽師“三北”五期工程建設(shè)規(guī)劃，人工造林平均每年以2 000 hm2的速度遞增，10 a后可增加2.0萬(wàn)hm2，以幼齡林的平均年碳吸收率3.0t/(hm2·a)來(lái)計(jì)算，每年增加0.6萬(wàn)t，預(yù)計(jì)2020年碳吸收量將達(dá)到32萬(wàn)t/a。如果“三北”一期到四期的總碳儲(chǔ)量和固碳價(jià)值不發(fā)生改變，到2020年“三北”防護(hù)林工程的總碳儲(chǔ)量可達(dá)到107.8萬(wàn)t，固碳效益為12.9億元。通過(guò)分析表明，造林、再造林和森林管理活動(dòng)是緩解大氣CO2體積分?jǐn)?shù)升高的有效途徑。因此，新疆伽師縣“三北”防護(hù)林在具有巨大的防護(hù)效益與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還具有較大的固碳效益。

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Influences of Crown Density and Age Class on Function and Value of Carbon Sequestration of Shelter Forests in Jiashi County，Xinjiang

/Liu Maoxiu，Shi Junhui，Wang Xinying，Peng Qiumei(Xinjiang Academy of Forestry Science，Urumqi 830046，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-30～32

Shelter forests;Crown density;Age class;Carbon sink;Value of carbon sequestration

S715.3

1)國(guó)家“十一五”林業(yè)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD26B09)、自治區(qū)科技攻關(guān)項(xiàng)目(200733144-2)。

劉茂秀，女，1976年12月生，新疆林業(yè)科學(xué)院，助理研究員。

史軍輝，新疆林業(yè)科學(xué)院，高級(jí)工程師;E-mail:junhui_shi@sohu.com。

2010年11月30日。

責(zé)任編輯:李金榮。

Biomass-conversion factor method was used to study the influences of crown density and age class on function and value of carbon sequestration of shelter forests in Jiashi County，Xinjiang，according to the forest resource data from the survey conducted at the end of 2008.Results showed that the carbon density and biomass of the shelter forests exhibited an upward trend with age class and an undulating increase with canopy density.Annual carbon absorption rates of young forest，middle-aged forest，near-mature forest，mature forest and over-mature forest were 3.0，2.8，3.6，3.2 and 3.2t·hm-2·a-1，among which the annual carbon absorption rate of near-mature forest was the highest.In carbon stocks，carbon storage in the forest with crown density of 0.5 accounted for 43.8％of the total carbon storage in the Three-North Shelter Forests in Jiashi County，and the carbon storage of near-mature forest and mature forest accounted for 82.3％.